Ford implementa sistema de pruebas de celda de combustible usando NI VeriStand y el complemento INERTIA

Todd VanGilder - Genuen

"NI VeriStand y el complemento INERTIA nos proporcionaron una herramienta fácil de usar para desarrollar e implementar nuestras pruebas HIL, y la arquitectura complementaria de NI VeriStand nos ayudó a personalizar el entorno para satisfacer las necesidades específicas de las aplicaciones de Ford".

- Todd VanGilder, Genuen.

El desafío:

Crear un sistema de pruebas de hardware-in-the-loop (HIL) para simular, controlar y monitorear las celdas de combustible de los vehículos de pasajeros desarrollado por Ford Motor Company.

La solución:

Basando el sistema de pruebas en el entorno de pruebas en tiempo real NI VeriStand, el complemento de software de control Wineman Technology INERTIA y el hardware NI PXI, para que Ford pueda probar una variedad de celdas de combustible con un solo sistema de pruebas.

Autor(es):

Todd VanGilder - Genuen.
Todd VanCamp - Ford Motor Company

 

 

 

Las celdas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten el gas hidrógeno y el oxígeno atmosférico en energía eléctrica y agua. Ford Motor Company está buscando celdas de combustible como fuente de energía alternativa para energizar vehículos de pasajeros. La investigación con celdas de combustible requiere un sistema de prueba para

  • Simular las entradas del vehículo con la celda de combustible
  • Controlar y supervisar la celda de combustible y el sistema que la rodea
  • Adquirir datos de análisis
  • Adaptarse fácilmente a futuros prototipos de celdas de combustible

 

Las celdas de combustible requieren un control preciso de los recursos entrantes, así como un control de temperatura, flujo y presión del refrigerante perfectamente equilibrados. La unidad de control del motor (ECU) controla electrónicamente las celdas de combustible para responder a la entrada del controlador. La ECU proporciona control de ciclo cerrado a través de señales entrantes y salientes del bus de red de controladores de área (CAN). Después de desarrollar nuevos prototipos de celdas de combustible, el equipo de Ford de desarrollo de celdas de combustible debe poder ajustar rápidamente la configuración del banco de pruebas para adaptarse a la nueva celda de combustible.

 

 

 

 

Desarrollar una solución completa de hardware y software

Ford Motor Company seleccionó a Genuen (antes conocido como Wineman Technology), partner de NI, para desarrollar una solución de software que proporciona la arquitectura subyacente del sistema de control, adquisición de datos y monitoreo. Elegimos NI VeriStand y el complemento de control en tiempo real INERTIA para el desarrollo y la implementación porque proporcionaron un entorno de software de pruebas fácil de usar. Para el hardware, elegimos los módulos NI PXI, SCXI, de arreglo de compuertas programables en campo (FPGA) de E/S reconfigurable (RIO) y un dispositivo de E/S distribuidas EtherCAT para proporcionar una plataforma modular para el sistema HIL. Usando la API de NI VeriStand, creamos una aplicación de LabVIEW personalizada para la interfaz de usuario para brindar una flexibilidad aún mayor.

 

 

 

 

 

Desarrollar la aplicación de software en tiempo real

NI VeriStand y PXI en tiempo real ofrecen control determinístico con registro de datos en tiempo real. El complemento de control en tiempo real NI VeriStand INERTIA proporcionó soporte proporcional integral derivativo multimodo que facilita la conmutación dinámica entre el modo de control de temperatura, presión y flujo.

 

Usando la arquitectura complementaria NI VeriStand y características listas para usar, creamos funcionalidad de hardware y software específica de la aplicación. Estos complementos están completamente integrados en toda la aplicación, con el mismo rendimiento determinístico que las otras características de NI VeriStand. Creamos complementos para una funcionalidad de alarma mejorada (Alarm Matrix) y el controlador del sistema del vehículo (VSC) que emula las salidas de la ECU de destino. Ambos complementos realizan funciones críticas que requieren una respuesta de condición en tiempo real.

 

El complemento Alarm Matrix monitorea los canales y el estado del sistema del vehículo. En base a los niveles de alerta definidos y el estado del sistema del vehículo, Alarm Matrix realiza acciones y mitiga las salidas del sistema del VSC. El plug-in VSC simula la ECU del vehículo, actuando como gateway para el sistema de celda de combustible. El VSC es responsable de aceptar solicitudes de energía y enfriamiento del sistema de celda de combustible, verificar la condición del sistema para proporcionar los niveles solicitados y solicitar los niveles deseados o informar al sistema de celda de combustible a través del bus CAN.

 

Conectar con modelos de vehículos

Usamos NI VeriStand para interactuar con código NI LabVIEW personalizado, modelos desarrollados en MathWorks, Inc. MATLAB® y modelos compilados creados en otros entornos de desarrollo. Cargamos una base de datos CAN dentro del entorno NI VeriStand y enlazamos las señales a las salidas del modelo. Cuando el modelo se ejecuta, realiza lógica en tiempo real para garantizar que una carga electrónica esté en el estado correcto.

 

En la siguiente iteración, Ford seleccionó Dynacar, un complemento de NI VeriStand para la simulación completa del vehículo que usted puede usar para seleccionar el vehículo de destino donde se implementará la celda de combustible. Los ingenieros de Ford pueden usar menús desplegables para configurar el simulador para que reproduzca el vehículo de destino sin requerir modelos complejos. Al agregar Dynacar al sistema, el equipo de desarrollo de celdas de combustible de Ford puede usar el hardware necesario para incluir un controlador real en el circuito. Esto significa que pueden evaluar el sistema en un vehículo en condiciones de conducción reales, sin salir del banco de pruebas.

 

 

Personalizar la interfaz de usuario

Creamos una aplicación de LabVIEW personalizada para configurar NI VeriStand de manera dinámica y proporcionar al usuario una variedad de herramientas y pantallas de E/S que se visualizan bajo demanda según la cantidad de monitores conectados al sistema. Estas pantallas y herramientas proporcionan funcionalidad personalizada de la GUI y muestran lo que Ford necesita para la aplicación, y también brindan interacción con las funciones de NI VeriStand como configuración de canales, calibración, canales calculados y generación de perfiles de prueba.

 

Cambiar sensores rápidamente para nuevas celdas de combustible

Los sensores utilizados con cada nueva celda de combustible varían de un prototipo a otro, por lo que un requisito principal del banco de pruebas fue tener cambios sencillos de sensores. La retroalimentación del sensor es crucial para comprender la interacción de la celda de combustible junto con la operación del banco de pruebas. Para comprender esta relación, debe registrarse y sincronizarse con los datos del banco de pruebas. Usando un chasis de E/S distribuidas EtherCAT, podemos cambiar los sensores y conectarlos al chasis antes de que la celda de combustible se lleve a la celda de prueba. Por lo tanto, el banco de pruebas puede funcionar mientras un técnico conecta la siguiente celda de combustible que será probada, lo que ahorra tiempo y recursos. También significa que podemos actualizar cada nueva lista de sensores de la celda de combustible a través de la configuración del dispositivo EtherCAT dentro de NI VeriStand.

 

Ofrecer soluciones complejas de pruebas de manera constante

Wineman Technology, en estrecha colaboración con National Instruments y Ford Motor Company, proporcionó una solución intuitiva para una aplicación alternativo y muy compleja para vehículos de combustible. Nuestra largo historial en desarrollo de sistemas de adquisición de datos y control en tiempo real de alto rendimiento, una relación cercana con National Instruments y un conocimiento profundo de las plataformas de software y hardware en tiempo real de NI, nos ayudaron a ofrecer un sistema muy avanzado, poderoso, flexible y amigable que cumple con todos los requisitos del sistema de pruebas de Ford Motor Company.

 

MATLAB® is a registered trademark of MathWorks, Inc.

 

Información del autor:

Todd VanGilder, Genuen
Genuen
1668 Champagne Dr
Saginaw, MI
Tel: 248.922.9062

todd.vangilder@genuen.com

Figura 1. Ford Motor Company necesitaba un sistema flexible de pruebas HIL para evaluar las celdas de combustible de los vehículos de pasajeros.
Figura 2. Wineman Technology construyó una solución lista para usar, que integró NI VeriStand, los módulos de control en tiempo real INERTIA, PXI, SCXI, Serie R con FPGA y E/S distribuidas EtherCAT.
Figura 3. Desarrollamos una aplicación de LabVIEW personalizada para visualizar de manera programática las herramientas apropiadas y las pantallas de E/S bajo demanda.